基于機械分流的等離子體點火調(diào)節(jié)技術仿真研究

馬曉偉，路鑫平，鄒清杰，宋繼坤

(1.國家能源集團山東石橫熱電有限公司，山東 泰安 271621； 2.煙臺龍源電力技術股份有限公司，山東 煙臺 264006)

0 引言

等離子體燃燒器在點火過程中存在一個最有利于點火的風速及煤粉濃度范圍[1-2]，對于不同結(jié)構的等離子體燃燒器，最適風速及煤粉濃度范圍亦有所不同[3]。隨著機組運行工況的改變，一次風速及煤粉濃度均會發(fā)生改變，從而偏離最佳工況，導致點火變差。尤其在冷爐啟動后期，工況變化幅度較大，著火狀態(tài)會有明顯的下降，非常不利于鍋爐的穩(wěn)定運行。目前，在等離子體點火過程中無論是針對一次風速還是煤粉濃度的調(diào)整，多是基于制粉系統(tǒng)來進行的。然而，改變制粉系統(tǒng)的運行參數(shù)后，與同一臺磨煤機相連的各燃燒器均能受到影響，同時由于各粉管之間存在的不均勻性，還會導致原本點火效果較好的燃燒器調(diào)整后反而變差，難以實現(xiàn)整體點火效果的提升。基于機械分流的等離子體點火調(diào)節(jié)技術，只定向針對單個燃燒器來進行煤粉濃度的調(diào)節(jié)研究，不會對其他燃燒器的運行帶來影響，能夠減少鍋爐啟動過程中等離子體點火帶來的熱負荷不均。

1 工程概況

某電廠330 MW機組鍋爐為上海鍋爐廠制造的亞臨界、一次中間再熱、單爐膛、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構、露天布置、控制循環(huán)汽包爐，鍋爐型號為SG-1025/17.5-M899，鍋爐主要運行參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐主要運行參數(shù)

采用平衡通風、直流式燃燒器、四角切圓燃燒方式，四角切圓采用CFSII+SOFA消旋，燃燒器上下濃淡分離一次風噴嘴和同心反切燃燒技術。每臺鍋爐布置5層燃燒器，燃燒器每層各布置4臺，共20臺燃燒器，同層的4臺燃燒器由同一臺磨煤機供應煤粉。每臺爐由HP-823型中速磨煤機和CS2024型電子稱重式給煤機構成正壓、直吹式制粉系統(tǒng)，鍋爐A層采用等離子點火及穩(wěn)燃設備。

2 改造方案

此次改造是針對A層的4套等離子體燃燒器，各角等離子體燃燒器及管路布置圖如圖1所示，具體布置順序為：等離子體燃燒器本體、等離子體燃燒器彎頭、豎直管道和管道彎頭。其中，A1和A2角管路布置完全相同，都是管道彎頭與燃燒器本體成90°布置；A3角等離子體燃燒器彎頭高度與A1角不同，管道彎頭與燃燒器本體成90°布置；A4角等離子體彎頭高度與A1角相同，但是管道彎頭與燃燒器本體成180°布置；綜上所述，有三種不同的布置方式，需要對三種不同的布置方式進行分布研究，下面僅以A1角為代表，如圖1所示。

圖1 A1角布置圖

等離子體燃燒器本體和彎頭都不做任何改動，對豎直管道和管道彎頭進行改造，具體改造方案為：

(1)在豎直管道布置機械分流裝置，內(nèi)部加貼防磨陶瓷，通過改變機械分流板的角度調(diào)整燃燒器內(nèi)部各級筒的煤粉濃度；(2)將管道彎頭的曲率半徑減小，增加豎直管道長度，內(nèi)部加裝均流板和防磨陶瓷，使得煤粉在通過彎頭后能夠在豎直管道內(nèi)快速均布，不會因為煤粉偏離對機械分流裝置造成影響；(3)將機械分流裝置與電動調(diào)節(jié)裝置連接，并且與風量和煤粉量關聯(lián)，最終實現(xiàn)自動調(diào)整。此外，機械分流裝置還需要考慮防止長期運行的積粉、卡澀問題。

機械分流裝置看起來簡單，但是，在研究過程中需要解決的問題比較多，具體如下：

(1)機械分流裝置通過改變角度對煤粉濃度進行調(diào)整時，必然會增加阻力，但是不能增加太多，機械分流板的尺寸和位置布置就至關重要，具體的設計尺寸和參數(shù)需要經(jīng)過大量的數(shù)值模擬和實驗室的煤粉試驗來最終確定；(2)管道彎頭的離心力會導致煤粉大部分聚集在彎頭外側(cè)，根據(jù)設計規(guī)范，煤粉在離開彎頭至少4倍管徑的直段后才能均布。但是，管道彎頭與機械分流裝置的直段距離僅有400 mm左右，無法滿足設計規(guī)范的要求，因此，需要在管道彎頭上做文章，解決煤粉聚集的問題，否則機械分流裝置無法實現(xiàn)調(diào)節(jié)煤粉濃度的效果。

通過此次機械分流裝置的改造，預期達到的效果如下：當?shù)入x子體燃燒器結(jié)構已經(jīng)固定的情況下，燃燒器內(nèi)部各級筒的煤粉濃度是影響等離子體點火效果的關鍵因素。通過機械分流裝置，可以實現(xiàn)燃燒器內(nèi)部各級筒的煤粉濃度調(diào)整，使其一直處于最佳的點火煤粉濃度。

3 數(shù)值模擬

3.1 幾何模型與網(wǎng)格模型

本次研究的內(nèi)容為：A1角的等離子體燃燒器和機械分流裝置涉及的煤粉管道，重點關注等離子體燃燒器內(nèi)部各級筒的煤粉顆粒分布情況和一次風速[4]。

由于計算區(qū)域的結(jié)構復雜，為了能夠準確模擬煤粉顆粒在磨煤機內(nèi)部的流動特性，對計算域采用混合網(wǎng)格劃分技術對其進行網(wǎng)格劃分，并對風環(huán)處的網(wǎng)格進行局部加密，網(wǎng)格劃分總數(shù)約為200萬左右。A1角的管路走向及等離子燃燒器如圖1所示。

3.2 數(shù)學物理模型

煤粉管道及等離子體燃燒器流場模擬為三維流場流動，采用CFD軟件開展模擬計算時，采用k-ε雙方程湍流模型模擬氣相湍流流動；其內(nèi)部的煤粉分離過程是一個典型的湍流氣固兩相流動過程，利用歐拉-拉格朗日法來模擬顆粒相在內(nèi)部的運動過程；考慮煤粉在磨煤機內(nèi)部的干燥計算；計算迭代時，采用SIMPLE算法求解離散方程組的壓力和速度耦合，采用逐步迭代法及低松弛因子求解方程，離散方法采用一階迎風格式。

3.3 模擬邊界條件

(1)煤粉管道一次風入口采用質(zhì)量流量入口邊界條件；入口質(zhì)量流量、溫度根據(jù)磨煤機最低負荷運行工況和BMCR工況值給定，采用設計煤質(zhì)，入口風量為3.42 kg/s(最低負荷運行工況)、4.21 kg/s(BMCR工況)，入口煤粉顆粒采用Rosin-Rammler分布，質(zhì)量流量為1.03 kg/s(最低負荷運行工況)、2.36 kg/s(BMCR工況)；(2)煤粉細度為R90=16%，均勻性系數(shù)取1.1；(3)煤粉管道一次風入口風速為：20 m/s(最低負荷運行工況)、25 m/s(BMCR工況)；(4)出口邊界條件：壓力出口。

3.4 模擬結(jié)果

管道煤粉濃度為0.3 kg/kg是等離子體燃燒器點火的最佳濃度，通過數(shù)值模擬得到一級筒內(nèi)側(cè)煤粉濃度為：0.31～0.33 kg/kg，二級筒內(nèi)側(cè)濃度為：0.25～ 0.27 kg/kg，以此濃度作為基準對BMCR工況下的煤粉濃度進行調(diào)整。當機械分流板調(diào)整角度為10°～15°時，一級筒內(nèi)側(cè)可以調(diào)整為：0.31～0.33 kg/kg，二級筒內(nèi)側(cè)濃度可以調(diào)整為：0.30～0.32 kg/kg，整體阻力相比調(diào)整角度為0°時僅增大了100～300 Pa。A1角數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 A1角數(shù)值模擬數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

(1)基于等離子體燃燒器的結(jié)構特點，以機械分流為特征的煤粉濃度調(diào)節(jié)裝置，可以很好調(diào)整各級筒的煤粉濃度到最佳點火濃度，解決等離子體點火可調(diào)節(jié)性差的問題；(2)機械分流裝置可以針對每個燃燒器進行單獨設計和調(diào)整，解決由于煤粉管道分布不均造成的等離子體點火效果差異大的問題。